JP5866194B2 - 空調装置および鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、吸込グリルを有する空調装置およびそれを備える鉄道車両に関する。

従来より、換気用ファンによって通風口から外部の空気が導入されるとともに、ファンによって通風口から車室内の空気が導入される鉄道車両用空調装置が知られている（特許文献１）。特許文献１に記載の空調装置において、通風口から導入された空気は、蒸発器で冷却され、或いは、ヒータで加熱された後、吹出口から車室内に供給される。この空調装置において、車室内の空気を導入するための通風口は、車室の天井に設けられており、通風口から空調装置の内部構造が見えるため、見栄えが良くない。また、内部構造が視認できるので不用意に扱われ、内部機器に損傷が生じる場合もある。

特開2010-221921号公報 特開2004-340497号公報

これに対して、例えば特許文献２には、空気調和機の内部構造が見え難い吸込みグリルの構造が提案されている。この吸込みグリルを備えた空気調和機では、横桟で視線を遮ることができるため、吸込口から内部構造が見え難いとしている。しかし、この空気調和機では、横桟の表面が曲面であるため、変動の少ない、安定した気流を得ることのできる曲面形状を形成することが難しく、空気流の変動に起因する騒音（気流音）が発生し易いという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、気流音の発生を抑制しつつ、内部構造を見え難くすることができる空調装置およびそれを備える鉄道車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る空調装置は、吸込口と、吸込口に設けられ、互いに間隔を隔てて略平行に配置された複数の桟と、複数の桟の吸込側の端部に位置する吸込面とを有する吸込グリルと、吸込グリルを介して吸込口から空気を吸い込む送風機とを備え、複数の桟のそれぞれは、吸込面から空気の流れの下流側に向かって順に配置された、吸込面に対して傾斜する傾斜板部と、傾斜板部から連続的に形成され吸込面に対して略直交方向かつ下流側に延びる整流板部とを有する。

この構成では、複数の桟のそれぞれの整流板部によって空気の流れを整流することができ、空気の流れの方向が変動することに起因する気流音の発生を抑制することができる。また、整流板部は、吸込面に対して略直交方向に延びて設けられているので、整流板部に沿って流れる空気の流速に横成分が加わることを抑制することができ、流速の増大に起因する気流音の発生を抑制することができる。そして、複数の桟のそれぞれの傾斜板部は、吸込面に対して傾斜しているので、傾斜板部で視線を遮ることができ、吸込グリルの上流側から吸込グリルより奥の内部構造を見え難くすることができる。

上記課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両は、上記の空調装置と、車室を有する車体とを備え、車室の天井面に吸込口が設けられる。

この構成は、上記の空調装置を備える鉄道車両に関するものである。

本発明によれば、上記の構成によって、気流音の発生を抑制しつつ、空調装置の内部構造を見え難くすることができる。

実施形態に係る鉄道車両（空調装置を含む。）の構成を示す概略断面図である。 空調装置の要部の構成を示す概略断面図である。 吸込グリルの構成を示す底面図である。 吸込グリルおよび整流部の構成を示す概略断面図である。 吸込グリルおよび整流部の構成を示す概略断面図である。 比較例に係る吸込グリルおよび整流部の構成を示す概略断面図である。 他の実施形態に係る空調装置における吸込グリルの構成を示す底面図である。

以下に、本発明に係る鉄道車両（空調装置を含む。）の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態において、「前」とは鉄道車両の進行方向を意味し、「後」とはその反対の方向を意味し、「前後方向」は「車両長手方向（レール方向）」と一致する。また、「左」とは進行方向を向いたときの左方を意味し、「右」とは進行方向を向いたときの右方を意味し、「左右方向」は「車幅方向（枕木方向）」と一致する。

図１は、実施形態に係る鉄道車両１０（空調装置１８を含む。）の構成を示す概略断面図であり、図１中の矢印は、空気の流れを示している。図１に示すように、鉄道車両１０は、乗客を収容する車室Ｓ１を有する車体１２と、車室Ｓ１の床面１４に設けられた複数の座席１６と、車体１２の上部に組み込まれた空調装置１８とを有している。

図１に示すように、空調装置１８は、車室Ｓ１の天井面２０における車幅方向の中央部に設けられた略四角形の吸込口２２と、吸込口２２から上方に延びて設けられた略四角形の断面を有する吸込ダクト２４と、車体１２の屋根２６から上方に突出して設けられたケーシング２８と、車室Ｓ１の天井面２０の裏側に前後方向に延びて、かつ、左右方向に間隔を隔てて設けられた２つの天井ダクト３０（図１では、左側の天井ダクト３０だけを示している。）とを備えている。

図１に示すように、ケーシング２８は、略筐体状に構成されており、ケーシング２８の内部空間は、仕切り壁３２によって、仕切り壁３２より後方の第１室Ｓ２と仕切り壁３２より前方の第２室Ｓ３とに分割されている。そして、第１室Ｓ２の底面には、１つの還気入口３４と２つの還気出口３６（図１では、１つだけ示している。）とが形成されており、還気入口３４には、吸込ダクト２４の上端部が接続されており、還気出口３６のそれぞれには、２つの天井ダクト３０のうち対応する一方が接続されている。また、第２室Ｓ３の側面には、外気を取り込む外気入口３８と、外気入口３８から取り込んだ外気を排出する外気出口４０とが形成されている。

図１に示すように、一方の天井ダクト３０は、車幅方向における吸込ダクト２４の左側に配置されており、他方の天井ダクト３０は、車幅方向における吸込ダクト２４の右側（図示省略）に配置されている。そして、２つの天井ダクト３０のそれぞれの側方における車室Ｓ１の天井面２０には、前後方向に延びるスリット状の吹出し口４２が対応する天井ダクト３０に沿って形成されており、吹出し口４２とこれに対応する天井ダクト３０とが連通路（図示省略）を介して連通されている。

また、図１に示すように、空調装置１８は、吸込口２２に設けられた吸込グリル５０と、ケーシング２８の第１室Ｓ２に配置され、吸込グリル５０を介して吸込口２２から空気を吸い込む室内送風機５２と、吸込グリル５０の下流側であって、かつ室内送風機５２の上流側に配置され、吸込グリル５０を通過した空気を整流する整流部５４と、ケーシング２８の第２室Ｓ３に配置され、外気を外気入口３８から取り込むとともに、当該外気を外気出口４０から排出する室外送風機５６とを備えている。さらに、空調装置１８は、第１室Ｓ２に配置されたヒータ６０および蒸発器６２と、第２室Ｓ３に配置された圧縮機６４および凝縮器６６と、ヒータ６０および圧縮機６４を制御する制御部（図示省略）とを備えている。したがって、空調装置１８においては、車室Ｓ１から吸込グリル５０、整流部５４、蒸発器６２、ヒータ６０、室内送風機５２、天井ダクト３０および吹出し口４２を経て車室Ｓ１に戻る還気流路Ｒ１が構成されている。また、ケーシング２８の外部Ｓ４から外気入口３８、凝縮器６６、室外送風機５６および外気出口４０を経て外部Ｓ４に戻る外気流路Ｒ２が構成されている。そして、制御部（図示省略）で圧縮機６４を駆動させることによって、還気流路Ｒ１を流れる還気を蒸発器６２で冷却することができ、或いは、制御部（図示省略）でヒータ６０を駆動させることによって、還気流路Ｒ１を流れる還気をヒータ６０で加熱することができる。

図２は、空調装置１８の要部の構成を示す概略断面図であり、図３は、吸込グリル５０の構成を示す底面図である。また、図４および図５は、吸込グリル５０および整流部５４の構成を示す概略断面図である。図２および図３に示すように、吸込グリル５０は、乗客の視線を遮る等のために吸込口２２に設けられるものであり、前後方向に互いに間隔を隔てて、かつ、車幅方向に延びて互いに略平行に配置された複数の桟７０と、前後方向における吸込口２２の中央部に車幅方向に延びて配置された目隠し部材７２とを有している。また、図４に示すように、吸込グリル５０は、複数の桟７０の吸込側の端部に位置する吸込面７４を有している。吸込面７４は、複数の桟７０のそれぞれの吸込側の端部を含む仮想平面であり、後述する傾斜角度α，βを規定する際の基準となる基準面である。

図４に示すように、複数の桟７０のそれぞれは、吸込面７４から空気の流れの下流側に向かって順に配置された、吸込面７４に対して傾斜する傾斜板部７６と、傾斜板部７６から連続的に形成され吸込面７４に対して略直交方向かつ下流側に延びる整流板部７８とを有している。図２に示すように、本実施形態では、目隠し部材７２の前方に配置された複数の桟７０と後方に配置された複数の桟７０との間で傾斜板部７６の傾斜方向が逆になっており、前方に配置された複数の桟７０のそれぞれの傾斜板部７６は、吸込面７４に近づくにつれて前方に位置するように構成されており、後方に配置された複数の桟７０のそれぞれの傾斜板部７６は、吸込面７４に近づくにつれて後方に位置するように構成されている。

図５に示すように、吸込面７４に対する整流板部７８の角度αは、９０度を基準として±２０度の範囲内（７０度≦α≦１１０度）であり、最も望ましい角度αは、９０度を基準として±５度の範囲内（８５度≦α≦９５度）である。角度αが９０度から大きく外れると、空気を整流する方向を吸込ダクト２４が延びる方向に一致させることができず、空気の流れを安定させることが困難になる。また、角度αが９０度から大きく外れると、空気の流れに横成分が加わって流速が増大し、空気が整流部５４に当たったときに生じる気流音が増大する。

図５に示すように、吸込面７４に対する傾斜板部７６の傾斜角度βは、２５度以上、かつ、５５度以下である。傾斜角度βが２５度よりも小さいと、整流板部７８と傾斜板部７６との境界部８２において空気流に渦が発生し、気流音が増大する。また、傾斜角度βが５５度より大きいと、目隠しのために桟７０のピッチｐを小さくする必要があることから、桟７０の枚数が増大し、重量およびコストが増大する。

図４に示すように、複数の桟７０のそれぞれの吸込面７４と直交する方向の長さをＤとしたとき、当該方向における整流板部７８の長さｄ１は、０．３５Ｄ以上、かつ、０．６５Ｄ以下である。整流板部７８の長さｄ１が０．３５Ｄより短い場合には、整流板部７８の整流効果を十分に発揮させることができない。また、整流板部７８の長さｄ１が０．６５Ｄより長い場合には、傾斜板部７６の長さｄ２が短くなるため、傾斜板部７６の視線を遮る効果を十分に発揮させるために桟７０のピッチｐを小さくする必要がある。かかる場合、桟７０の枚数が増大し、重量およびコストが増大する。

図４に示すように、目隠し部材７２の前方および後方のそれぞれにおいて、複数の桟７０を構成する互いに隣接する２つの桟７０のうち、一方の桟７０を第１桟とし、第１桟に対して第１桟の傾斜板部７６が吸込面７４に向かって傾斜する側にある他方の桟７０を第２桟とする。第１桟における下流側端縁７０ａおよび上流側端縁７０ｂの両方を含む平面を仮想基準面８０としたとき、第２桟における整流板部７８と傾斜板部７６との境界部８２の少なくとも一部は、仮想基準面８０よりも第１桟側にある。つまり、互いに隣接する２つの桟７０の間隔（ピッチ）ｐは、境界部８２の少なくとも一部が仮想基準面８０より第１桟側に配置されるように設計されている。また、図２に示すように、目隠し部材７２は、その前方に配置された桟７０とその後方に配置された桟７０との隙間Ｑにおいて、通気性を確保しつつ、視線を遮ることができるように、略三角形の断面を有する略棒状に形成されている。したがって、車室Ｓ１から吸込グリル５０より奥の内部構造が見えることはない。

図４に示すように、ピッチｐは、視線を遮る効果が損なわれない限り大きくとることが望ましい。つまり、ピッチｐが小さいと、桟７０の枚数が増加して吸込グリル５０の開口面積が小さくなり、同じ流量を得るのに必要な流速が増大する。気流音は、流速の６乗に概ね比例して増加し、圧力損失は流速の２乗に概ね比例して増加するため、気流音および圧力損失を低減するためには、ピッチｐをできるだけ大きくとることが望ましい。そこで、本実施形態では、桟７０の厚さｔとピッチｐとが「ｐ＞４ｔ」の関係を満たすようにピッチｐが設計されている。

図４に示すように、整流部５４は、空気の流れを整流する機能と、空気に含まれる塵埃を捕捉する機能とを併有するものであり、本実施形態では、空気を通す多数の孔を有するエアフィルタが整流部５４として用いられている。整流部５４は、吸込グリル５０の下流側であって、かつ室内送風機５２の上流側に配置されており、整流部５４の上流側の主面５４ａは、吸込面７４に対して略平行で、かつ、整流板部７８に対して略直交して配置されている。図４に示すように、複数の桟７０のそれぞれの吸込面７４と直交する方向の長さをＤとしたとき、吸込グリル５０の下流側の端面５０ａと整流部５４の上流側の主面５４ａとの間隔Ｈは、０以上、かつ、２Ｄ以下である。この間隔Ｈが２Ｄより長いと、吸込グリル５０の下流側の端面５０ａと整流部５４の上流側の主面５４ａとの間で空気流の方向が変動し易くなり、気流音の発生を十分に抑制することができない。

図１に示すように、室内送風機５２が駆動されると、車室Ｓ１の空気が吸込グリル５０を介して吸込口２２から吸い込まれ、当該空気が、整流部５４、蒸発器６２、ヒータ６０、室内送風機５２、天井ダクト３０および吹出し口４２を経て車室Ｓ１に戻される。図５に示すように、空気が吸込グリル５０を通過する過程では、当該空気の流速ｕ１に横成分が加わることがなく、吸込グリル５０の入口における空気の流速ｕ１と、吸込グリル５０の出口における空気の流速ｕ１とは同じである。

［実施形態の効果］
本実施形態に係る鉄道車両１０によれば、空調装置１８を備えることによって以下の効果を奏することができる。

図５に示すように、複数の桟７０のそれぞれの整流板部７８によって空気の流れを整流することができ、空気の流れの方向が変動することに起因する気流音の発生を抑制することができる。また、整流板部７８は、吸込面７４に対して略直交方向に延びて設けられているので、整流板部７８に沿って流れる空気の流速ｕ１（図５）に横成分が加わることを抑制することができ、流速の増大に起因する気流音の発生を抑制することができる。

図６は、比較例に係る吸込グリル９０および整流部９２の構成を示す概略断面図である。比較例に係る吸込グリル９０では、角度αおよび傾斜角度βが３４度に設計されており、境界部９４において桟９６が６８度に曲げられている。この比較例では、整流板部７８に沿って空気が流れる過程で、空気の流速ｕ１に横成分ｕ２が加わるため、整流部９２に当たる空気の流速ｕ３が速くなり（ｕ３＞ｕ１）、空気が整流部９２に当たるときに発生する気流音が大きくなる。また、境界部９４を空気が大きく曲がるときに渦（図６中に矢印で示す。）が発生するため、境界部９４で発生する気流音が大きくなる。図５に示すように、本実施形態に係る吸込グリル５０では、吸込面７４に対する整流板部７８の角度αが、９０度を基準として±２０度の範囲内であるため、空気の流速ｕ１に横成分が加わることを抑制することができ、整流部９２における気流音の発生を抑制することができる。また、境界部８２における渦の発生を抑制することができ、渦に起因する気流音の発生を抑制することができる。

発明者等は、本実施形態に係る吸込グリル５０（図４）について、Ｄ＝２２ｍｍ、Ｈ＝２３ｍｍ、ｄ１＝１１ｍｍ、ｐ＝９．５ｍｍ、α＝９０度、β＝３４度とし、比較例に係る吸込グリル９０（図６）について、Ｄ＝２２ｍｍ、Ｈ＝２３ｍｍ、ｄ１＝１１ｍｍ、ｐ＝１６．６ｍｍ、α＝３４度、β＝３４度として、気流音の大きさを比較する実験を行った。この実験により、吸込グリル５０によれば、吸込グリル９０に比べて、５００Ｈｚよりも高い周波数において気流音を大幅に低減できることを確認できた。

図４に示すように、吸込面７４に対する傾斜板部７６の傾斜角度βは、２５度以上であるため、境界部８２における渦の発生を抑制することができ、渦の発生に起因する気流音の発生を抑制することができる。また、傾斜角度βは、５５度以下であるため、目隠しのために桟７０のピッチｐを大きくすることができ、桟７０の枚数を少なくして、軽量化および低コスト化を実現することができる。

図４に示すように、複数の桟７０のそれぞれの傾斜板部７６は、吸込面７４に対して傾斜しているので、傾斜板部７６で視線を遮ることができ、吸込グリル５０の上流側から吸込グリル５０より奥の内部構造を見え難くすることができる。特に、本実施形態では、隣接する２つの桟７０のうち、第２桟における整流板部７８と傾斜板部７６との境界部８２の少なくとも一部が、仮想基準面８０よりも第１桟側にあるので、吸込グリル５０の上流側から吸込グリル５０より奥の内部構造を完全に見えないようにすることができる。

図２に示すように、整流部５４の上流側の主面５４ａは、吸込面７４に対して略平行で、かつ、整流板部７８に対して略直交して配置されているので、当該主面５４ａに空気が供給されるときに、空気の流速に横成分が加わることを抑制することができ、流速の増大や、空気の流れの方向が変動することに起因する気流音の発生を抑制することができる。そして、整流部５４としてエアフィルタを用いているので、整流部５４と他のエアフィルタとを別々に設ける必要がなく、装置全体を小型化することができるとともに、メンテナンスの作業性を良くすることができる。

図４に示すように、複数の桟７０のそれぞれの吸込面７４と直交する方向の長さをＤとしたとき、当該方向における整流板部７８の長さｄ１は、０．３５Ｄ以上、かつ、０．６５Ｄ以下であるため、整流板部７８の整流効果を十分に発揮させることができるとともに、傾斜板部７６の視線を遮る効果を十分に発揮させることができる。

図４に示すように、吸込グリル５０の下流側の端面５０ａと整流部５４の上流側の主面５４ａとの間隔Ｈは、０以上、かつ、２Ｄ以下であるため、これらの間で空気流の方向が変動し難くなり、気流音の発生を十分に抑制することができる。

［他の実施形態］
図３に示すように、上述の実施形態では、吸込グリル５０を構成する複数の桟７０を前後方向に間隔を隔てて配置しているが、図７に示すように、他の実施形態では、吸込グリル５０を構成する複数の桟７０を左右方向に間隔を隔てて配置してもよい。

また、吸込グリル５０の傾斜板部７６の向きは、目隠し部材７２に対して左右対称としているが、これに限られず、全ての傾斜板部７６を同方向に配置してもよい。かかる場合、目隠し部材７２は設けなくてもよい。

図１に示すように、上述の実施形態では、レール上を走行する車両について示したが、各種鉄道車両やバス、その他の交通機関に適用可能である。また、他の実施形態では、整流部５４に代えて、整流機能だけを有する整流部と、塵埃を捕捉する機能だけを有するフィルタとを別々に設けてもよい。このような整流部としては、多数の孔を有する金網等を用いることができる。

１０… 鉄道車両
１８… 空調装置
２２… 吸込口
５０… 吸込グリル
７０… 桟
７４… 吸込面
７６… 傾斜板部
７８… 整流板部

Claims (9)

1. 吸込口と、
   前記吸込口に設けられ、互いに間隔を隔てて略平行に配置された複数の桟と、前記複数の桟の吸込側の端部に位置する吸込面とを有する吸込グリルと、
   前記吸込グリルを介して前記吸込口から空気を吸い込む送風機とを備え、
   前記複数の桟のそれぞれは、前記吸込面から空気の流れの下流側に向かって順に配置された、前記吸込面に対して傾斜する傾斜板部と、前記傾斜板部から連続的に形成され前記吸込面に対して略直交方向かつ下流側に延びる整流板部とを有し、
   前記複数の桟を構成する互いに隣接する２つの桟のうち、一方の桟を第１桟とし、前記第１桟に対して前記第１桟の前記傾斜板部が前記吸込面に向かって傾斜する側にある他方の桟を第２桟とし、前記第１桟における下流側端縁および上流側端縁の両方を含む平面を仮想基準面としたとき、
   前記第２桟における前記整流板部と前記傾斜板部との境界部の少なくとも一部は、前記仮想基準面よりも前記第１桟側にある、空調装置。
2. 前記吸込グリルの下流側であって、かつ前記送風機の上流側に配置され、前記吸込グリルを通過した空気を整流する整流部をさらに備える、請求項１に記載の空調装置。
3. 前記整流部の上流側の主面は、前記吸込面に対して略平行に配置されている、請求項２に記載の空調装置。
4. 前記整流部は、空気を通す多数の孔を有するエアフィルタである、請求項２または３に記載の空調装置。
5. 前記吸込面に対する前記整流板部の角度αは、９０度を基準として±２０度の範囲内である、請求項１ないし４のいずれかに記載の空調装置。
6. 前記吸込面に対する前記傾斜板部の傾斜角度βは、２５度以上、かつ、５５度以下である、請求項１ないし４のいずれかに記載の空調装置。
7. 前記複数の桟のそれぞれの前記吸込面と直交する方向の長さをＤとしたとき、当該方向における前記整流板部の長さｄ１は、０．３５Ｄ以上、かつ、０．６５Ｄ以下である、請求項１ないし４のいずれかに記載の空調装置。
8. 前記複数の桟のそれぞれの前記吸込面と直交する方向の長さをＤとしたとき、前記吸込グリルの下流側の端面と前記整流部の上流側の主面との間隔Ｈは、０以上、かつ、２Ｄ以下である、請求項２ないし４のいずれかに記載の空調装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の空調装置と、
   車室を有する車体とを備え、
   前記車室の天井面に前記吸込口が設けられる、鉄道車両。

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